EP0669281A1 - Hydraulische Hubvorrichtung für batteriegetriebene Flurförderzeuge - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a hydraulic lifting device for battery-powered industrial trucks according to the preamble of claim 1.
- the pressure medium source is formed by a constant pump which is driven by an electric motor.
- the speed of the engine is controlled depending on the position of the valve lever. This means that when lifting the load, the lifting speed is changed without significant throttling losses.
- the potential energy of the load is converted into heat at the throttle point of the directional control valve and discharged into the tank with the hydraulic medium.
- it has also become known to use the motor pump unit during the lowering phase to take over the load holding function and to throw back part of the potential energy of the load into the battery via the regenerative electric motor.
- the invention has for its object to provide a hydraulic lifting device for battery-powered industrial trucks, in which the drive machine for the hydraulic pump is operated over the entire working range, which the hydraulic system requires when lifting and lowering the load, without a to supply the auxiliary functions additional motor pump unit is necessary.
- an externally excited DC machine which, according to one embodiment of the invention, provides for regulation of the excitation and armature voltage independently of one another.
- a separate field current control device can be provided with a setpoint generator, which determines the setpoint for the field current from predetermined relationships between the speed and armature current, the field winding and the armature being assigned adjustable circuit breakers whose arrangement and actuation the size and the Specify the direction of the current through armature and field winding and the control device has a direction sensor for lifting and lowering.
- the lowering branch is provided between the valve arrangement and a connection between a check valve and the input of the hydraulic pump, the hydraulic pump taking care of the further hydraulic consumer.
- the DC machine is always operated in the same direction of rotation, regardless of whether lifting or lowering operation is present.
- the hydraulic consumer can then be supplied directly with the hydraulic energy from the lowering process, so that losses in efficiency through additional energy conversions are avoided.
- the load-independent control of the lowering speed takes place both in the regenerative operation of the direct current machine and in the case of control solely via the valve arrangement.
- the load holding function can be realized by the manually operated control valve, which is continuously adjustable and therefore enables a very sensitive regulation of the lifting and lowering speed.
- one embodiment of the invention provides the lowering branch a hydraulic volume flow limiter, which limits the volume flow from the hydraulic cylinder at the inlet to a value specified via the valve lever position.
- a hydraulic volume flow limiter which limits the volume flow from the hydraulic cylinder at the inlet to a value specified via the valve lever position.
- This can be formed by a pressure compensator, which is controlled by the volume flow and the inlet pressure of the control valve arrangement. This constellation ensures that the lowering speed remains approximately constant.
- the pressure compensator begins to regulate.
- a constant speed is preferably regulated, which is dimensioned such that the volume flow conveyed by the pump is sufficient to cover the maximum volume flow requirement of the additional consumer.
- a speed or speed of the additional consumer which is dependent on the valve lever position, is set via an additional control valve, the excess volume flow being fed back into the tank.
- an embodiment of the invention provides for the arrangement of a switching valve between the pressure limiter and the hydraulic pump.
- the switching valve directs the hydraulic medium directly to the tank if the pressure and volume in the lowering branch are smaller than required to supply the hydraulic consumer.
- the combination of pressure compensator and switching valve then works like a two-way flow regulator. The additional hydraulic consumer is supplied in the same way as already described.
- the mast of a hydraulic conveyor consists among other things from a free lift cylinder and at least one mast lift cylinder.
- the oil volume of the free lift cylinder is only emptied during the lowering process after the mast lift cylinder has been completely retracted and therefore no longer contains any oil volume. This creates a transition between the lowering process in the mast lift and the free lift.
- the different cylinder surfaces in the mast lift and free lift result in different lowering speeds at the same generator speed.
- the control or the setpoint specification for the lifting device takes place by means of an electrical signal, for example via a manually operated potentiometer, a direction indicator also having to be provided, the signals of which indicate the operating process of raising or lowering.
- an electrical signal for example via a manually operated potentiometer, a direction indicator also having to be provided, the signals of which indicate the operating process of raising or lowering.
- the hydraulic pump drives the direct current machine acting as a generator.
- the control tries to reach this value, whereby the associated circuit breaker for the armature switches through completely.
- the circuit breakers for the field winding are operated so that the current is maximum. This creates a maximum braking torque that is sufficient to lower the load at minimum speed if desired.
- the lifting and lowering speed can be set to the desired value by corresponding setpoint value for the speed.
- the field current setpoint generator determines the setpoint for the field current from the armature current setpoint and the actual speed. This has the advantage that the speed control can also operate in the operating range in which a higher armature voltage than is required for the battery voltage in order to reduce the generator with optimal efficiency.
- a three-phase asynchronous machine can also be used, which is fed accordingly via converters.
- a speed control device uses a tachometer to determine the actual rotor frequency of the machine and forms a control deviation with a speed setpoint or frequency setpoint in order to achieve the desired speed for both lifting and lowering.
- the asynchronous machine works as a motor or generator. The regeneration of Electrical energy in the battery is carried out automatically without any special precautions being taken.
- An externally excited DC machine 10 drives a hydraulic pump 12, which optionally works as a motor.
- the pump 12 draws hydraulic medium from a tank 14 via a check valve 16 and conveys it via a control valve arrangement 18 to a lifting cylinder 20 or to a group of secondary functions 22.
- the valve arrangement 18 is manually operated.
- a hand lever 24 is provided, for example, for actuating the lifting cylinder 20. Additional hand levers, not shown, are provided for actuating the secondary functions 22.
- a speed control device to be described later is set so that a constant speed of the DC motor 10 is used to supply the auxiliary functions 22. Excess volume flow is then fed back into the tank 14 via a line 26 and a filter 28.
- the lifting cylinder 20 is then raised or lowered as a function of the rotational speed.
- the lowering takes place via the actuation of the hand lever 24, a lowering branch 28 connecting the control valve arrangement 18 to a point between the pump 12 and the check valve 16.
- the volume flow during the lowering process drives the hydraulic pump 12 in the same direction as it is operated as a pump, so that it drives the direct current machine 10 as a hydraulic motor, which consequently operates in a regenerative manner in order to convert the potential energy from the lifting cylinder into electrical energy and the battery with electrical energy Recharge energy.
- a hydraulic pressure compensator 30 is arranged in the lowering branch 28, as is a switching valve 32 which, when it is not actuated by the actuating magnet 34, is in the open position.
- volume flow in the pressure compensator 30 exceeds a value specified by the manual valve 18, a limitation is made so that the volume flow does not increase abruptly when the valve 32 is switched over, the pump 12, should it be driven by the direct current machine 10, hydraulic medium from the Can suck tank 14.
- the lifting of the lifting cylinder 20 and the supply of the secondary functions have already been described.
- the lowering process was also essentially explained.
- the control of the speed of the engine 10 depending on the valve lever position is directly proportional to the lowering speed, apart from negligible leakage losses of the pump 12. If an auxiliary function 22 is requested during the lowering phase, the fluid in the control valve 18 is throttled to the required pressure of the auxiliary function.
- the secondary function is supplied directly from the energy released in the lowering process if the pressure and volume flow are sufficient. This is usually always the case when the load is lowered. There is no need to reverse the pump 12. If the pressure and volume flow from the lowering process are sufficient to supply the auxiliary functions, there is an immediate hydraulic supply with the volume flow of the lowering process, the excess volume flow being discharged into the tank 14 via the control valve arrangement 18.
- the control compares the actual engine speed resulting from the lowering speed with the target speed according to the volume flow requirement of the secondary function. If the volume flow requirement of the secondary function exceeds the offer from the lowering process, the engine speed is increased accordingly. For this constellation, it must be ensured that the lowering speed remains approximately constant. As mentioned, this is accomplished by the pressure compensator 30 together interact with the variable throttle point in the control valve arrangement 18. As soon as the flow rate at the pressure compensator 30 exceeds a certain value in relation to the valve lever position at the valve 18, the pressure compensator 30 begins to regulate. It now works in conjunction with the throttle point in valve 18 like a two-way flow controller and thus keeps the set lowering speed constant.
- the motor 10 is operated at a constant speed, which is dimensioned such that the volume flow conveyed by the pump 12 is sufficient to cover the maximum volume flow requirement of the secondary functions.
- a valve lever position dependent dependent function speed is made possible via a lever-operated throttle point in the control valve assembly 18. Excess volume flow is returned to the tank 14 via the filter 28.
- the switching valve 32 is switched off and the fluid is passed directly into the tank 14 via the filter 28.
- the lowering speed is kept constant via the pressure compensator 30 in connection with the throttle point in the control valve arrangement 18 which can be changed via the valve lever.
- This combination works like a two-way flow controller.
- the auxiliary function 22 is supplied via the direct current motor 10 and the hydraulic pump 5, as described above.
- Fig. 7 shows a hand lever 44 which can be pivoted to the left and right, the extent of the pivoting being indicated by -X or + X. He actuates a potentiometer, indicated at 46, which generates a signal P as a function of the deflection.
- the signal P is shown in FIG. 4.
- the deflection-dependent signals in FIG. 4 do not differ by the sign, therefore a pair of microswitches (not shown) are assigned to the lever 44, which prescribe the sign of the signal P. This is indicated by the signals S1 and S2 in FIGS. 5 and 6, respectively.
- a speed setpoint generator 44 calculates a speed setpoint n set from the signals P, S1 and S2, the absolute value of P determining the absolute value of n set and the signals S1 and S2 the corresponding sign. If a signal is received from the encoder 42, the speed setpoint is modified accordingly in order to maintain a constant lowering speed. (This will be discussed in more detail below).
- a speed sensor 46a connected to the DC machine 10 supplies an actual speed value n ls! to a target actual value comparison 48, and the control deviation is given to a speed controller 50. It forms a setpoint for the armature current IAset , which is compared in a setpoint actual value comparison 52 with the armature current actual value I Alst .
- the control deviation arrives at an armature current controller 56 and from there to a control value transmitter indicated by 58.
- Relationships between speed and armature current are stored in a value table 60.
- the setpoint for the field winding I FSoll is calculated from the data in table 60. It is essential that the armature current setpoint I Asoll is used for the calculation.
- the setpoint I FSoll is compared in an actual setpoint comparison 64 with the field current actual value, the control deviation being given to a field current controller 66 which generates a corresponding actuating signal in the actuating value transmitter 68.
- the regulators 56, 66 are designed as digital regulators and generate pulse-width-modulated voltages via downstream power units 58, 68, by means of which the predetermined current values I Asoll and I FSoll are regulated . Because the input variable for calculating the field current setpoint I FSoll in addition to the actual speed value n ls! the armature current setpoint I Asoll can also be used in an operating range in which a higher armature voltage than the battery voltage U Batt would be necessary in order to reduce the generator with optimal efficiency, as will be described.
- the armature of the externally excited direct current machine 10 is connected to a battery 52 via a half bridge 50 consisting of the Mosfets T1 and T2.
- Diodes 54, 56 are antiparallel to the Mosfets T1 and T2.
- the field winding 58a is in series with the Mosfet T3 parallel to the half bridge 50 at the terminals of the battery 52, a diode being antiparallel to the field winding 58 or to the Mosfet T3.
- the Mosfets T1 and T2 are controlled cyclically, i.e. Mosfet T1 is off when T2 is on and vice versa.
- the size of the current flow thus results from the pulse duty factor for the Mosfets T1 and T2.
- Mosfet T1 works as a step-down converter in motorized lifting operation and
- Mosfet T2 works as a step-up converter in generator-based lowering operation.
- an I A target is given to the target actual value comparison 52, and the armature current controller 56 ensures that the armature is short-circuited via Mosfet T2.
- the field winding 58a is supplied with maximum field current. The speed value that is now set is so small that the lowest possible lowering speed that is set is sufficient to ensure a sensitive lowering of the lifting cylinder 20. At this operating point of the DC machine 10, however, no energy is fed back into the battery 52.
- the controller 56 withdraws the pulse width of the MOSFET T2 from 100% control until the desired speed n target is set.
- the Mosfet T2 now operates in step-up mode at every pulse width ⁇ 100%, and energy is fed back into the battery 52.
- a speed setpoint generator 44a generates a rotor frequency setpoint f 2soll from the signals P, S1 and S2 for a three-phase asynchronous machine 10a, which can be used in the circuit shown there instead of the externally excited DC machine according to FIG.
- the signal P fed into the setpoint generator 44a corresponds to the extent of the deflection, for example of the hand lever according to FIG. 7.
- the sign of the signal is indicated by microswitches (not shown) which are assigned to the hand lever 44. The sign is therefore determined by the signals S1 and S2.
- a speed sensor 46a connected to the machine 10a supplies an actual speed value n ist , which is given to a computing stage 84 which calculates the actual value f2ist of the rotor frequency in accordance with the number of pole pairs p of the machine 10a.
- the actual frequency value is given to the target actual value comparison 48a, and the control difference reaches a speed controller 70.
- the speed controller 70 generates a setpoint for the active component i qsoll of the complex current space vector i.
- the active component i qsoll is proportional to the torque of the asynchronous machine 10a.
- the value i dsoll is the target value of the reactive component of the current space vector i, which is proportional to the magnetizing current of the asynchronous machine.
- To iq from the target value of the active component of the current space vector i of the desired value for the slip frequency f Ssoll at 86 is determined.
- a table can be stored in 86 which establishes the relationship between the active current and the slip frequency. It is also conceivable to store an equivalent circuit diagram of the asynchronous machine in 86 and to use it to determine the respective slip frequency relatively precisely.
- the determined slip frequency f ssoll is added to the actual rotor frequency value f 2act at 85. This results in the stator frequency setpoint fish, which is fed to a rotary transformation 74.
- the current space vector i resulting from iq so n, i dsoll and fisch is transformed to the string sizes, and the setpoints for the string currents i usoll and i vsoll result .
- the respective control differences, the uist by subtracting the respective actual current values i and i vist to the summation points 75 and 77 found are added to the current controllers 76 and 78, the manipulated variables for the strand p annache U U target and output U vsoll.
- the setpoint of the third phase voltage U wsoll can be calculated from the condition that the sum of all three voltages must be zero at the addition point 79.
- the three voltage setting values are now converted into pulse width modulation signals in block 82, which control a power section 81 in such a way that the desired current values result in the asynchronous machine 10a.
- one strand of the asynchronous machine 10a is located at a connection point of a pair of Mosfets which are connected in series and are connected to the battery voltage U Batt and are denoted by T1 to T6.
- the transistors T1 to T6 are operated with a sine-weighted pulse width and are counter-cyclically controlled in pairs.
- the control of the three transistor pairs is designed in such a way that the sine-weighted, wide-modulated drive signals in the frequency of the sine weighting are applied to the transistor pairs by 120 phases out of phase. With this control, a rotating rotating field is generated in the asynchronous machine 10a, which is variable in frequency and voltage.
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Abstract
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische Hubvorrichtung für batteriegetriebene Flurförderzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Bei derartigen hydraulischen Hubvorrichtungen wird die Druckmittelquelle von einer Konstantpumpe gebildet, die von einem Elektromotor angetrieben ist. Die Drehzahl des Motors wird in Abhängigkeit von der Stellung des Ventilhebels gesteuert. Dadurch wird beim Heben der Last eine Änderung der Hubgeschwindigkeit ohne wesentliche Drosselverluste erreicht. Es ist bekannt, die Senkgeschwindigkeit ebenfalls ventilhebelstellungsabhängig zu machen, und zwar über ein Wegeventil im Senkzweig. Dabei wird die potentielle Energie der Last an der Drosselstelle des Wegeventils in Wärme umgesetzt und mit dem Hydraulikmedium in den Tank abgeführt. Es ist jedoch auch schon bekanntgeworden, die Motorpumpeneinheit während der Senkphase für die Übernahme der Lasthaltefunktion einzusetzen und einen Teil der potentiellen Energie der Last über den generatorisch arbeitenden Elektromotor in die Batterie zurückzuwerfen.
- Aus DE 20 14 605, DE 26 18 046, DE 30 18 156 ist bekannt, die Senkgeschwindigkeit über hydraulische Speicher oder über Drosselstellen einzustellen. Alternativ arbeitet der Motor in nur einem Arbeitsgang. Dadurch hat der Elektromotor im generatorischen Bereich nur einen sehr eingeschränkten Betriebsbereich. Aus der US 3 947 744 ist bekannt, im Senkbetrieb den Elektromotor durch eine einfache Feldregelung zu steuern und aus DE 36 02 551 einen Reihenschlußmotor zu verwenden, der in einem eingeschränkten Betriebsbereich arbeitet. Die Betriebsbereiche, die nicht über den generatorisch betriebenen Elektromotor abgedeckt werden, müssen weiter über hydraulische Drosselstellen abgedeckt werden, wobei die potentielle Energie der Last naturgemäß nicht nutzbar ist.
- Bei Flurförderzeugen sind meistens zusätzliche Verbraucher mit hydraulischem Druck zu versorgen. Es ist bekannt, diese hydraulischen Verbraucher ebenfalls über die Hydraulikpumpe zu bedienen, indem für die Versorgung der Nebenfunktionen ein konstanter Drehzahlwert eingestellt wird, zu dem dann die ventilhebelstellungsabhängige Drehzahlkomponente zur Versorgung der Hubfunktion addiert wird. Im Senkbetrieb kann die Hydraulikpumpe nicht gleichzeitig als Generator arbeiten und die Nebenfunktionen versorgen. Es ist daher aus der US 3 947 744 auch bekannt, zur Versorgung der Nebenfunktionen eine zusätzliche Motorpumpeneinheit vorzusehen.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Hubvorrichtung für batteriegetriebene Flurförderzeuge zu schaffen, bei der die Antriebsmaschine für die Hydraulikpumpe über den gesamten Arbeitsbereich, den die hydraulische Anlage beim Heben und Senken der Last erfordert, betrieben wird, ohne daß zur Versorgung der Nebenfunktionen eine zusätzliche Motorpumpeneinheit nötig wird.
- Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 9 gelöst.
- Bei der Erfindung nach Patentanspruch 1 wird eine fremderregte Gleichstrommaschine vorgesehen, die nach einer Ausgestaltung der Erfindung eine Regelung der Erreger- und Ankerspannung unabhängig voneinander vorsieht. Zu diesem Zweck kann eine separate Feldstromregelungseinrichtung vorgesehen werden mit einem Sollwertgeber, der aus vorgegebenen Beziehungen von Drehzahl und Ankerstrom den Sollwert für den Feldstrom ermittelt, wobei der Feldwicklung und dem Anker von der Regeleinrichtung stellbare Leistungsschalter zugeordnet sind, deren Anordnung und Ansteuerung die Größe und die Richtung des Stroms durch Anker und Feldwicklung vorgeben und die Steuervorrichtung einen Richtungsgeber für Heben und Senken aufweist.
- Erfindungswesentlich ist ferner, daß der Senkzweig zwischen der Ventilanordnung und einer Verbindung zwischen einem Rückschlagventil und dem Eingang der Hydraulikpumpe vorgesehen ist, wobei für den weiteren hydraulischen Verbraucher die Hydraulikpumpe sorgt. Dadurch wird die Gleichstrommaschine stets in der gleichen Drehrichtung betrieben unabhängig davon, ob Hub-oder Senkbetrieb vorliegt. Der hydraulische Verbraucher kann dann direkt mit der hydraulischen Energie aus dem Senkvorgang versorgt werden, so daß Wirkungsgradverluste über zusätzliche Energiewandlungen vermieden werden.
- Bei der Erfindung erfolgt eine lastunabhängige Steuerung der Senkgeschwindigkeit sowohl im generatorischen Betrieb der Gleichstrommaschine als auch bei einer Steuerung allein über die Ventilanordnung. Die Lasthaltefunktion kann durch das handbetätigte Steuerventil realisiert werden, das stetig verstellbar ist und daher eine sehr feinfühlige Regulierung der Hub- und Senkgeschwindigkeit ermöglicht.
- Der Normalfall beim Senken ist der, daß die Versorgung des zusätzlichen hydraulischen Verbrauchers durch die hydraulische Energie aus dem Senkvorgang stattfinden kann. Der überschüssige Volumenstrom wird dann in den Tank abgeführt. Es ist jedoch auch denkbar, daß während des Senkvorgangs zwar der Druck größer ist als für die Versorgung des zusätzlichen Verbrauchers erforderlich, jedoch ein zu kleiner Volumenstrom bereitsteht. Die Drehzahlregelung bewirkt, daß der Elektromotor die Pumpe antreibt. Um zu verhindern, daß dadurch die Senkgeschwindigkeit zu groß wird, sieht eine Ausgestaltung der Erfindung im Senkzweig einen hydraulischen Volumenstrombegrenzer vor, der den Volumenstrom aus dem Hydraulikzylinder am Eingang auf einen über die Ventilhebelstellung vorgegebenen Wert begrenzt. Dieser kann von einer Druckwaage gebildet sein, die vom Volumenstrom und dem Eingangsdruck der Steuerventilanordnung gesteuert wird. Bei dieser Konstellation ist sichergestellt, daß die Senkgeschwindigkeit annähernd konstant bleibt. Sowie die Durchflußmenge in der Druckwaage einen bestimmten Wert im Verhältnis zur Ventilhebelstellung am Steuerventil überschreitet, beginnt die Druckwaage zu regeln. Sie arbeitet in Verbindung mit der Drosselstelle im Steuerventil wie ein Zweiwegemengenregler und hält so die eingestellte Senkgeschwindigkeit konstant. Auf diese Weise wird ferner sichergestellt, daß die Hydraulikpumpe über das Rückschlagventil ansaugen kann. Vorzugsweise wird bei dieser Betriebsart eine konstante Drehzahl geregelt, die so bemessen ist, daß der von der Pumpe geförderte Volumenstrom ausreicht, den maximalen Volumenstrombedarf des zusätzlichen Verbrauchers zu decken. Eine ventilhebelstellungsabhängige Geschwindigkeit oder Drehzahl des zusätzlichen Verbrauchers wird über ein zusätzliches Steuerventil eingestellt, wobei der überschüssige Volumenstrom in den Tank zurückgeleitet wird.
- Schließlich kann auch der Fall eintreten, daß sowohl der Druck als auch der Volumenstrom während des Senkvorgangs kleiner ist als für die Nebenfunktion erforderlich. Für diesen Fall sieht eine Ausgestaltung der Erfindung die Anordnung eines Schaltventils zwischen Druckbegrenzer und Hydraulikpumpe vor. Das Schaltventil lenkt das Hydraulikmedium direkt zum Tank, wenn Druck und Volument im Senkzweig kleiner sind als für die Versorgung des hydraulischen Verbrauchers erforderlich. Die Kombination aus Druckwaage und Schaltventil arbeitet dann wie ein Zweiwegemengenregler. Die Versorgung des zusätzlichen hydraulsichen Verbrauchers erfolgt in gleicher Weise, wie bereits beschrieben.
- Das Hubgerüst eines hydraulischen Förderzeugs besteht u.a. aus einem Freihubzylinder und mindestens einem Masthubzylinder. Das Ölvolumen des Freihubzylinders wird beim Senkvorgang erst entleert, nachdem der Masthubzylinder ganz eingefahren ist und damit kein Ölvolumen mehr enthält. Dadurch entsteht ein Übergang zwischen dem Senkvorgang im Masthub und im Freihub. Durch die unterschiedlichen Zylinderflächen im Masthub und Freihub entstehen bei gleicher Generatordrehzahl unterschiedliche Senkgeschwindigkeiten. Um dies auszugleichen, wird nach einer Ausgestaltung der Erfindung sensiert, ob sich das Hubgerüst im Mast- oder Freihubbereich befindet, und es werden dann Proportionalitätsfaktoren zwischen Senkgeschwindigkeitssollwert und Motordrehzahl in der Steuerung verändert, so daß die gleiche Senkgeschwindigkeit im Mast- und Freihub erreicht wird.
- Aus "Microprocessor-based High-Efficiency Drive of a DC Motor" aus IEEE Transactions on Industrial Electronics Vol. IE 34 No. 4. November 1987, Seiten 433 bis 440 ist bekanntgeworden, Anker und Feld einer Gleichstrommaschine dadurch zu steuern bzw. zu regeln, daß der Sollwert für den Feldstrom aus vorgegebenen Beziehungen von Drehzahl und Ankerstrom, hier des Ankerstromistwerts, ermittelt wird. Hierzu ist ein entsprechender Algorithmus bzw. eine entsprechende Tabelle vorzusehen.
- Die Steuerung bzw. die Sollwertvorgabe für die Hubvorrichtung erfolgt durch ein elektrisches Signal, beispielsweise über ein handbetätigtes Potentiometer, wobei zusätzlich ein Richtungsgeber vorzusehen ist, dessen Signale den Betriebsvorgang Heben bzw. Senken anzeigen. In dem Augenblick, in dem über die Steuerventilanordnung der Hydraulikstrom im Senkzweig zu fließen beginnt, treibt die Hydraulikpumpe die als Generator wirkende Gleichstrommaschine an. Da jedoch der Sollwert für die Drehzahl noch Null ist, versucht die Regelung diesen Wert zu erreichen, wodurch der zugehörige Leistungsschalter für den Anker komplett durchschaltet. Die Leistungsschalter für die Feldwicklung werden so betrieben, daß der Strom maximal ist. Dadurch wird ein maximales Bremsmoment erzeugt, das ausreichend ist, die Last mit minimaler Geschwindigkeit abzusenken, falls dies gewünscht wird. Durch entsprechende Sollwertvorgabe für die Drehzahl läßt sich andererseits die Hebe- und Senkgeschwindigkeit auf den gewünschten Wert einstellen.
- In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Feldstrom-Sollwertgeber den Sollwert für den Feldstrom aus dem Ankerstromsollwert und der Istdrehzahl ermittelt. Dies hat den Vorteil, daß die Drehzahlregelung auch in dem Betriebsbereich arbeiten kann, in dem eine höhere Ankerspannung als sie bei der Batteriespannung notwendig ist, um mit optimalem Wirkungsgrad generatorisch zu senken.
- Anstelle einer fremderregten Gleichstrommaschine kann auch eine Drehstrom-Asynchronmaschine verwendet werden, die über Umrichter entsprechend gespeist ist. Eine Drehzahlregeleinrichtung ermittelt mit Hilfe eines Drehzahlmessers die Istläuferfrequenz der Maschine und bildet eine Regelabweichung mit einem Drehzahlsollwert bzw. Frequenzsollwert, um sowohl für das Heben als auch das Senken die gewünschte Drehzahl zu erreichen. Je nachdem, ob die Differenz aus Ist- und Sollfrequenz einen positiven oder einen negativen Schlupf anzeigt, arbeitet die Asynchronmaschine als Motor oder Generator. Die Rückspeisung von elektrischer Energie in die Batterie erfolgt automatisch, ohne daß besondere Vorkehrungen zu treffen sind.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
- Fig. 1 zeigt eine hydraulische Hubvorrichtung nach der Erfindung.
- Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild zur Regelung der Hubvorrichtung nach Fig. 1
- Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild der Leistungsteile der Gleichstrommaschine nach Fig. 1 bzw. Fig. 2.
- Fig. 4 bis 6 zeigen Diagramme von verschiedenen Steuersignalen der erfindungsgemäßen Hubvorrichtung.
- Fig. 7 zeigt eine Handbetätigung für die Hubvorrichtung nach der Erfindung.
- Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild zur Regelung einer Hubvorrichtung ähnlich der nach Fig. 1 mit einer Drehstrom-Asynchronmaschine.
- Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild des Leistungsteils der Asynchronmaschine nach Fig. 8.
- Eine fremderregte Gleichstrommaschine 10 treibt eine Hydraulikpumpe 12 an, die wahlweise als Motor arbeitet. Die Pumpe 12 saugt aus einem Tank 14 über ein Rückschlagventil 16 Hydraulikmedium an und fördert es über eine Steuerventilanordnung 18 zu einem Hubzylinder 20 bzw. zu einer Gruppe von Nebenfunktionen 22. Die Ventilanordnung 18 ist handbetätigt. Für die Betätigung des Hubzylinders 20 ist beispielsweise ein Handhebel 24 vorgesehen. Für die Betätigung der Nebenfunktionen 22 sind zusätzliche nicht gezeigte Handhebel vorgesehen. Eine später noch zu beschreibende Drehzahlregeleinrichtung ist so eingestellt, daß zunächst eine konstante Drehzahl des Gleichstrommotors 10 für die Versorgung der Nebenfunktionen 22 dient. Überschüssiger Volumenstrom wird dann über eine Leitung 26 und ein Filter 28 in den Tank 14 zurückgeleitet. Drehzahlabhängig erfolgt dann das Heben bzw. Senken des Hubzylinders 20. Das Senken erfolgt über die Betätigung des Handhebels 24, wobei ein Senkzweig 28 die Steuerventilanordnung 18 mit einem Punkt zwischen der Pumpe 12 und dem Rückschlagventil 16 verbindet. Der Volumenstrom beim Senkvorgang treibt die Hydraulikpumpe 12 in gleicher Richtung an wie sie als Pumpe betrieben wird, so daß sie als Hydraulikmotor die Gleichstrommaschine 10 antreibt, die mithin generatorisch arbeitet, um die potentielle Energie aus dem Hubzylinder in elektrische Energie umzuwandeln und die Batterie mit elektrischer Energie aufzuladen. Im Senkzweig 28 ist eine hydraulische Druckwaage 30 angeordnet sowie ein Schaltventil 32, das, wenn es vom Betätigungsmagneten 34 unbetätigt ist, in der Offenstellung sich befindet. Wird es hingegen betätigt, verbindet es den oberen Teil des Senkzweigs 28 über eine Leitung 36 mit der Leitung 26 und damit zum Tank 14. Die hydraulische Waage 30 wird über einen Steuereingang mit dem Druck im Senkzweig zwischen Hubzylinder 20 und Steuerventil 18 beaufschlagt, wie durch die gestrichelte Linie 36a angedeutet. Die hydraulische Waage wird mit dem Differenzdruck, der über das Ventil 18 abfällt und der ventilhebelstellungsabhängig ist, beaufschlagt. Wird der Differenzdruck größer als ein vorgegebener Wert, regelt die Druckwaage und über das Ventil 30 fällt der Lastdruck ab, so daß an der Pumpe 12 Umgebungsdruck herrscht und Volumentsrrom aus dem Tank gepumpt werden kann. Übersteigt der Volumenstrom in der Druckwaage 30 einen durch das Handventil 18 vorgegebenen Wert, wird eine Begrenzung vorgenommen, so daß der Volumenstrom beim Umschalten des Ventils 32 nicht schlagartig ansteigt, wobei die Pumpe 12, sollte sie von der Gleichstrommaschine 10 angetrieben werden, Hydraulikmedium aus dem Tank 14 ansaugen kann.
- Das Heben des Hubzylinders 20 sowie die Versorgung der Nebenfunktionen sind bereits beschrieben worden. Auch der Senkvorgang wurde im wesentlichen erläutert. Die ventilhebelstellungsabhängige Regelung der Drehzahl des Motors 10 ist direkt proportional der Senkgeschwindigkeit, von vernachlässigbaren Leckverlusten der Pumpe 12 abgesehen. Wird während der Senkphase eine Nebenfunktion 22 angefordert, dann wird das Fluid im Steuerventil 18 auf den erforderlichen Druck der Nebenfunktion angedrosselt. Die Nebenfunktion wird direkt aus der im Senkvorgang frei werdenden Energie versorgt, wenn Druck und Volumenstrom ausreichend sind. Dies ist normalerweise immer der Fall, wenn mit Last abgesenkt wird. Ein Reversieren der Pumpe 12 entfällt. Reichen Druck und Volumenstrom aus dem Senkvorgang aus, die Nebenfunktionen zu versorgen, erfolgt eine unmittelbare hydraulische Versorgung mit dem Volumenstrom des Senkvorgangs, wobei der überschüssige Volumenstrom über die Steuerventilanordnung 18 in den Tank 14 abgeführt wird.
- Sobald eine Nebenfunktion angefordert wird, vergleicht die Steuerung die Motoristdrehzahl, resultierend aus der Senkgeschwindigkeit mit der Solldrehzahl, entsprechend dem Volumenstrombedarf der Nebenfunktion. Übersteigt der Volumenstrombedarf der Nebenfunktion das Angebot aus dem Senkvorgang, dann wird die Motordrehzahl entsprechend erhöht. Für diese Konstellation muß sichergestellt werden, daß die Senkgeschwindigkeit annähernd konstant bleibt. Dies wird, wie erwähnt, durch die Druckwaage 30 bewerkstelligt im Zusammenwirken mit der veränderlichen Drosselstelle in der Steuerventilanordnung 18. Sobald die Durchflußmenge an der Druckwaage 30 einen bestimmten Wert im Verhältnis zur Ventilhebelstellung am Ventil 18 überschreitet, beginnt die Druckwaage 30 zu regeln. Sie arbeitet nun in Verbindung mit der Drosselstelle im Ventil 18 wie ein Zweiwegemengenregler und hält so die eingestellte Senkgeschwindigkeit konstant. Dadurch ist gewährleistet, daß der Druck aus dem Senkvorgang an der Druckwaage 30 abgebaut und ein Nachsaugen über das Ventil 16 und damit die Versorgung der Nebenfunktion 22 sichergestellt ist. Der Motor 10 wird mit konstanter Drehzahl betrieben, die so bemessen ist, daß der von der Pumpe 12 geförderte Volumenstrom ausreicht, den maximalen Volumenstrombedarf der Nebenfunktionen zu decken. Eine ventilhebelstellungsab hängige Nebenfunktionsgeschwindigkeit wird über eine hebelbetätigte Drosselstelle in der Steuerventilanordnung 18 ermöglicht. Überschüssiger Volumenstrom wird über den Filter 28 in den Tank 14 zurückgeleitet.
- Ist der Druck aus dem Senkvorgang kleiner und der Volumenstrom kleiner oder größer als für die Nebenfunktion erforderlich, wird das Schaltventil 32 ausgeschaltet und das Fluid über den Filter 28 direkt in den Tank 14 geleitet. Die Senkgeschwindigkeit wird über die Druckwaage 30 in Verbindung mit der über den Ventilhebel veränderbaren Drosselstelle in der Steuerventilanordnung 18 konstant gehalten. Diese Kombination arbeitet wie ein Zweiwegemengenregler. Die Versorgung der Nebenfunktion 22 erfolgt über den Gleichstrommotor 10 und die Hydraulikpumpe 5, wie oben beschrieben.
- Die Drehzahlregelung der fremderregten Gleichstrommaschine 10 der Vorrichtung nach Fig. 1 wird anhand der Figuren 2 bis 7 näher erläutert.
- Fig. 7 zeigt einen Handhebel 44, der nach links und rechts verschwenkbar ist, wobei das Ausmaß der Verschwenkung mit -X bzw. + X angegeben ist. Er betätigt ein bei 46 angedeutetes Potentiometer, das in Abhängigkeit von der Auslenkung ein Signal P erzeugt. Das Signal P ist in Fig. 4 angegeben. Die auslenkungsabhängigen Signale in Fig. 4 unterscheiden sich nicht durch das Vorzeichen, daher ist dem Hebel 44 ein Paar Mikroschalter (nicht gezeigt) zugeordnet, welche das Vorzeichen des Signals P vorgeben. Dies ist durch die Signale S1 und S2 in Fig. 5 bzw. Fig. 6 angedeutet. Ein Drehzahlsollwertgeber 44 errechnet aus den Signalen P, S1 und S2 einen Drehzahlsollwert nSoll, wobei der Absolutwert von P den Absolutwert von nSoll bestimmt und die Signale S1 bzw. S2 das entsprechende Vorzeichen. Falls vom Geber 42 ein Signal erhalten wird, wird der Drehzahlsollwert entsprechend modifiziert, um eine konstante Senkgeschwindigkeit beizubehalten. (Hierauf wird weiter unten noch näher eingegangen). Ein mit der Gleichstrommaschine 10 verbundener Drehzahlsensor 46a liefert einen Drehzahlistwert nls! auf einen Sollistwertvergleich 48, und die Regelabweichung wird auf einen Drehzahlregler 50 gegeben. Er bildet einen Sollwert für den Ankerstrom IASoll, der in einem Sollistwertvergleich 52 mit dem Ankerstromistwert IAlst verglichen wird. Die Regelabweichung gelangt auf einen Ankerstromregler 56 und von dort auf einen mit 58 angedeuteten Stellwertgeber.
- In einer Wertetabelle 60 sind Beziehungen zwischen Drehzahl und Ankerstrom gespeichert. In einer entsprechenden Rechenstufe 62 wird aus den Daten der Tabelle 60 der Sollwert für die Feldwicklung IFSoll errechnet. Wesentlich ist dabei, daß zur Berechnung der Ankerstromsollwert lAsoll herangezogen wird. Der Sollwert IFSoll wird in einem Istsollwert-Vergleich 64 mit dem Felstromistwert verglichen, wobei die Regelabweichung auf einen Feldstromregler 66 gegeben wird, der ein entsprechendes Stellsignal im Stellwertgeber 68 erzeugt. Die Regler 56, 66 sind als digitale Regler ausgebildet und erzeugen über nachgeschaltete Leistungsteile 58, 68 pulsweitenmodulierte Spannungen, über die die vorgegebenen Stromwerte lAsoll und IFSoll eingeregelt werden. Dadurch, daß als Eingangsgröße zur Errechnung des Feldstromsollwerts IFSoll neben dem Drehzahlistwert nls! der Ankerstromsollwert lAsoll herangezogen wird, kann auch in einem Betriebsbereich gearbeitet werden, in dem eine höhere Ankerspannung als die Batteriespannung UBatt notwendig wäre, um mit optimalem Wirkungsgrad generatorisch zu senken, wie noch beschrieben wird.
- Wie aus Fig. 3 hervorgeht, liegt der Anker der fremderregten Gleichstrommaschine 10 über eine aus den Mosfets T1 und T2 bestehende Halbbrükke 50 an einer Batterie 52. Dioden 54, 56 liegen antiparallel zu den Mosfets T1 und T2. Die Feldwicklung 58a liegt in Reihe mit dem Mosfet T3 parallel zur Halbbrücke 50 an den Klemmen der Batterie 52, wobei eine Diode antiparallel zur Feldwicklung 58 bzw. zum Mosfet T3 liegt.
- Die Mosfets T1 und T2 werden zyklisch angesteuert, d.h. Mosfet T1 ist ausgeschaltet, wenn T2 eingeschaltet ist und umgekehrt. Die Größe des Stromflusses ergibt sich somit aus dem Tastverhältnis der Impulse für die Mosfets T1 und T2. Gleiches gilt für das Mosfet T3. Mosfet T1 arbeitet im motorischen Hubbetrieb als sogenannter Tiefsetzsteller und Mosfet T2 im generatorischen Senkbetrieb als Hochsetzsteller.
- Wird der Hebel 44 aus der Ruhelage in Richtung Senken so weit ausgelenkt, daß die Anforderung der Senkfunktion über das Signal S2 erzeugt wird, andererseits das Signal P noch einen Drehzahlsollwert von nSoll = 0 meldet, bewirkt das Signal S2 ein Öffnen des Ventils 18, wodurch Hydraulikvolumen durch die Pumpe 12 strömt und die Gleichstrommaschine 10 antreibt. Durch die auf diese Weise auftretende ständige Regelabweichung wird ein IASoll auf den Sollistwertvergleich 52 gegeben, und der Anker-stromregler 56 sorgt dafür, daß der Anker über Mosfet T2 kurzgeschlossen ist. Außerdem wird die Feldwicklung 58a mit maximalem Feldstrom versorgt. Der sich nun einstellende Drehzahlwert ist so klein, daß die sich einstellende kleinstmögliche Senkgeschwindigkeit ausreicht, um ein feinfühliges Senken des Hubzylinders 20 zu gewährleisten. In diesem Betriebspunkt der Gleichstrommaschine 10 wird indessen keine Energie in die Batterie 52 zurückgespeist.
- Wird indessen durch eine weitere Auslenkung des Ventilhebels ein Drehzahlsollwert nSoll > 0 eingestellt, nimmt der Regler 56 die Pulsweite des Mosfets T2 von der 100%igen Ansteuerung zurück, bis sich die gewünschte Drehzahl nSoll einstellt. Der Mosfet T2 arbeitet nun bei jeder Pulsweite < 100% im Hochsetzstellerbetrieb, und es wird Energie in die Batterie 52 zurückgespeist.
- In Fig. 8 erzeugt ein Drehzahlsollwertgeber 44a aus den Signalen P, S1 und S2 einen Läuferfrequenzsollwert f2soll für eine Drehstromasynchronmaschine 10a, die anstelle der fremderregten Gleichstrommaschine nach Fig. 1 in die dort gezeigte Schaltung eingesetzt werden kann. Das in den Sollwertgeber 44a eingespeiste Signal P entspricht dem Ausmaß der Auslenkung z.B. des Handhebels nach Fig. 7. Das Vorzeichen des Signals wird durch Mikroschalter (nicht gezeigt) angegeben, die dem Handhebel 44 zugeordnet sind. Das Vorzeichen wird mithin durch die Signale S1 und S2 bestimmt. Ein mit der Maschine 10a verbundener Drehzahlsensor 46a liefert einen Drehzahlistwert nist, der auf eine Rechenstufe 84 gegeben wird, die entsprechend der Polpaarzahl p der Maschine 10a den Istwert f2ist der Läuferfrequenz errechnet. Der Frequenzistwert wird auf den Sollistwertvergleich 48a gegeben, und die Regeldifferenz gelangt auf einen Drehzahlregler 70.
- Der Drehzahlregler 70 erzeugt einen Sollwert für den Wirkanteil iqsoll des komplexen Stromraumzeigers i. Der Wirkanteil iqsoll ist proportional zum Drehmoment der Asynchronmaschine 10a. Der Wert idsoll ist der Sollwert des Blindanteils des Stromraumzeigers i, der dem Magnetisierungsstrom der Asynchronmaschine proportional ist. Aus dem Sollwert des Wirkanteils iqsoll des Stromraumzeigers i wird der Sollwert für die Schlupffrequenz fssoll bei 86 ermittelt. In 86 kann eine Tabelle abgelegt sein, welche die Beziehung herstellt zwischen dem Wirkstrom und der Schlupffrequenz. Es ist auch denkbar, in 86 ein Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine abzulegen und mit dessen Hilfe relativ genau die jeweilige Schlupffrequenz zu ermitteln.
- Die ermittelte Schlupffrequenz fssoll wird bei 85 dem Läuferfrequenzistwert f2ist hinzuaddiert. Daraus ergibt sich der Ständerfrequenzsollwert fisch, der einer Drehtransformation 74 zugeführt wird. Der sich aus iqson, idsoll und fisch ergebende Stromraumzeiger i wird auf die Stranggrößen transformiert, und es ergeben sich die Sollwerte für die Strangströme iusoll und ivsoll. Die jeweiligen Regeldifferenzen, die sich durch Subtraktion der jeweiligen Stromistwerte iuist und ivist an den Additionsstellen 75 und 77 ergeben, werden auf die Stromregler 76 und 78 gegeben, die die Stellgrößen für die Strangspannungen Uusoll und Uvsoll ausgeben. Der Sollwert der dritten Strangspannung Uwsoll kann aus der Bedingung, daß die Summe aller drei Spannungen zu Null ergeben muß, an der Additionsstelle 79 errechnet werden.
- Die drei Spannungsstellwerte werden nun in Pulsweitenmodulationssignale umgesetzt im Block 82, welche einen Leistungsteil 81 so ansteuern, daß sich die gewünschten Stromwerte in der Asynchronmaschine 10a ergeben.
- Einzelheiten des Leistungsteils 81 gehen aus dem Blockschaltbild nach Fig. 9 hervor.
- In Fig. 9 ist zu erkennen, daß jeweils ein Strang der Asynchronmaschine 10a an einem Verbindungspunkt eines Paars von in Serie geschalteten und an Batteriespannung UBatt liegenden Mosfets liegt, die mit T1 bis T6 bezeichnet sind. Die Transistoren T1 bis T6 werden mit einer sinusbewerteten Pulsweite betrieben und paarweise antizyklisch angesteuert. Die Ansteuerung der drei Transistorpaare ist so gestaltet, daß die sinusbewerteten weitenmodulierten Ansteuersignale in der Frequenz der Sinusbewertung um je 120 phasenverschoben auf die Transistorpaare gegeben werden. Bei dieser Ansteuerung wird in der Asynchronmaschine 10a ein umlaufendes Drehfeld erzeugt, das frequenz-und spannungsvariabel ist.
- Aus dem Vergleich der Frequenzen fssoll und f2ist ergibt sich aus dem Vorzeichen der Sollfrequenz fssoll, ob die Asynchronmaschine 10a im Motor- oder Generatorbetrieb arbeitet. Mithin erfolgt automatisch ohne weitere Vorkehrungen eine Rückspeisung in die Batterie nach Fig. 9, wenn die Asynchronmaschine 10a generatorisch betrieben wird.
- Wird der Hebel 44 in Fig. 7 aus der Ruhelage in Richtung Senken so weit ausgelenkt, daß die Anforderung der Senkfunktion über das Signal S2 erzeugt wird, andererseits das Signal P noch einen Läuferfrequenzsollwert f2 = Null meldet, strömt Hydraulikmedium durch das Hydraulikaggregat und treibt die Asynchronmaschine 10a an. Der Regler regelt nun auf die untere Regelgrenze, die kleinste mögliche Ständerfeldfrequenz, die ungefähr bei 0,2 Hz liegt, ein. Durch den Schlupf in der Asynchronmaschine 10a ergibt sich eine ständige Regelabweichung. Der sich einstellende Drehzahlwert ist so klein, daß die sich einstellende kleinstmögliche Senkgeschwindigkeit ausreicht, um ein feinfühliges Senken des Hubzylinders 20 (Fig. 1) zu gewährleisten.
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